Earth Wind & Fire: Evolutie van een innovatie (3 ... · Voor de PVT-zonneschoorsteen 3.0 is een...

8
Natuurlijke ventilatie en energie via de zonneschoorsteen De zonneschoorsteen is een dominant architecturaal element en een typerende expressie van klimaatresponsieve architectuur. Door gebruik te maken van de zon als drijvende kracht voor het afzuigen van ventilatielucht, kan een essentiële bijdrage worden geleverd aan een natuurlijke airconditioning van gebouwen. Van groter belang is echter de functie van de zonneschoorsteen als absorber van zonne- energie, thermisch en elektrisch, die kan worden benut voor de verwarming van gebouwen, voor herstel van het thermisch evenwicht in de bodem bij WKO-systemen en voor de aandrijving van Een zonneschoorsteen, ook in Nederland niet onbekend, is een sterk tot de verbeelding sprekend onderdeel van een gebouw. Internet levert voor de zoekterm “solar chimney” talloze verwijzingen. Vele hiervan hebben betrekking op kleinschalige toepassingen voor woonhuisventilatie in tropische landen. Systematisch wetenschappelijk onderzoek naar het functioneren en optimaliseren van een zonneschoorsteen voor utiliteitsbouw in het West- Europese klimaat is schaars. Met de resultaten van het onderzoek Earth, Wind & Fire (EWF) hebben ontwerpers nu de mogelijkheid een verantwoord ontwerp van een zonneschoorsteen te maken. De energieprestatie “Oogsten van zonne-energie”, en de functionele prestatie “Natuurlijke afzuiging van ventilatielucht” worden hierbij ontwikkeld in samenhang met de architecturale prestatie “Een mooi gebouw”. De zonneschoorsteen kan daardoor, in een perfecte symbiose van architectuur en technologie, een substantiële bijdrage leveren aan een energie neutrale gebouwde omgeving. Auteurs Dr.-Ing. B. (Ben) Bronsema, Bronsema Consult – TU Delft faculteit Bouwkunde – afdeling AE + T; Dr. R. (Regina) Bokel, TU Delft faculteit Bouwkunde – afdeling AE + T; Ing. H. (Harry) Bruggema, Ingenieursbureau Peutz; Ir. R. (Ronald) van Luijk MSc, Green Building Engineering; Ing. A. (Arjan) van Mook, Van Delft Groep; Ir. M. (Martijn) de Potter, NWA Architecten; Ir. M (Maarten) Quist, SUN Investments, v/h Dutch Green Company; Ing. J. (Joost) Vermeer, Van Delft Groep; Drs. O. (Otto) Meerstadt, Dutch Green Company pompen en hulpventilatoren. Hiermee kan een belangrijke bijdrage worden geleverd aan de energieneutraliteit van gebouwen. Het ontwerp en de prestaties van de innovatieve zonneschoorsteen zijn voor generieke toepassingen uitvoerig beschreven (Bronsema, B. 2013/A,B,C). Het was een interessante exercitie een en ander in bouwteamverband voor een specifiek project, hotel BREEZE Amsterdam, uit te werken tot de te realiseren PVT-hybride zonneschoorsteen 3.0. Figuur 1: Natuurlijke airconditioning met PVT- zonneschoorsteen 3.0 Met dank aan de gewaardeerde inbreng van de ontwerppartners is, in een zorgvuldige afweging van de architecturale-, de thermische-, de aerodynamische- en de energieprestaties, een robuust ontwerp van deze zonneschoorsteen gerealiseerd. Voor de PVT-zonneschoorsteen 3.0 is een BREEAM Innovatiecredit Onderzoek & Cases 32 Earth Wind & Fire: Evolutie van een innovatie (3) tvvl magazine / onderzoek & cases nr. 03 / april / 2018

Transcript of Earth Wind & Fire: Evolutie van een innovatie (3 ... · Voor de PVT-zonneschoorsteen 3.0 is een...

Page 1: Earth Wind & Fire: Evolutie van een innovatie (3 ... · Voor de PVT-zonneschoorsteen 3.0 is een BREEAM Innovatiecredit Onderzoek & Cases 32 Earth Wind & Fire: Evolutie van een innovatie

Natuurlijke ventilatie en energie via de zonneschoorsteen

De zonneschoorsteen is een dominant

architecturaal element en een typerende

expressie van klimaatresponsieve architectuur.

Door gebruik te maken van de zon als drijvende

kracht voor het afzuigen van ventilatielucht, kan

een essentiële bijdrage worden geleverd aan

een natuurlijke airconditioning van gebouwen.

Van groter belang is echter de functie van de

zonneschoorsteen als absorber van zonne-

energie, thermisch en elektrisch, die kan worden

benut voor de verwarming van gebouwen, voor

herstel van het thermisch evenwicht in de bodem

bij WKO-systemen en voor de aandrijving van

Een zonneschoorsteen, ook in Nederland niet onbekend, is een sterk tot de verbeelding sprekend onderdeel van een gebouw. Internet levert voor de zoekterm “solar chimney” talloze verwijzingen. Vele hiervan hebben betrekking op kleinschalige toepassingen voor woonhuisventilatie in tropische landen. Systematisch wetenschappelijk onderzoek naar het functioneren en optimaliseren van een zonneschoorsteen voor utiliteitsbouw in het West­Europese klimaat is schaars. Met de resultaten van het onderzoek Earth, Wind & Fire (EWF) hebben ontwerpers nu de mogelijkheid een verantwoord ontwerp van een zonneschoorsteen te maken. De energieprestatie “Oogsten van zonne­energie”, en de functionele prestatie “Natuurlijke afzuiging van ventilatielucht” worden hierbij ontwikkeld in samenhang met de architecturale prestatie “Een mooi gebouw”. De zonneschoorsteen kan daardoor, in een perfecte symbiose van architectuur en technologie, een substantiële bijdrage leveren aan een energie neutrale gebouwde omgeving.

Auteurs Dr.-Ing. B. (Ben) Bronsema, Bronsema Consult – TU Delft faculteit Bouwkunde – afdeling AE + T;

Dr. R. (Regina) Bokel, TU Delft faculteit Bouwkunde – afdeling AE + T; Ing. H. (Harry) Bruggema, Ingenieursbureau

Peutz; Ir. R. (Ronald) van Luijk MSc, Green Building Engineering; Ing. A. (Arjan) van Mook, Van Delft Groep;

Ir. M. (Martijn) de Potter, NWA Architecten; Ir. M (Maarten) Quist, SUN Investments, v/h Dutch Green Company;

Ing. J. (Joost) Vermeer, Van Delft Groep; Drs. O. (Otto) Meerstadt, Dutch Green Company

pompen en hulpventilatoren. Hiermee kan een belangrijke bijdrage

worden geleverd aan de energieneutraliteit van gebouwen.

Het ontwerp en de prestaties van de innovatieve

zonneschoorsteen zijn voor generieke toepassingen uitvoerig

beschreven (Bronsema, B. 2013/A,B,C). Het was een interessante

exercitie een en ander in bouwteamverband voor een specifiek

project, hotel BREEZE Amsterdam, uit te werken tot de te

realiseren PVT-hybride zonneschoorsteen 3.0.

Figuur 1: Natuurlijke

airconditioning met PVT­

zonneschoorsteen 3.0

Met dank aan de gewaardeerde inbreng van de ontwerppartners is,

in een zorgvuldige afweging van de architecturale-, de thermische-,

de aerodynamische- en de energieprestaties, een robuust ontwerp

van deze zonneschoorsteen gerealiseerd.

Voor de PVT-zonneschoorsteen 3.0 is een BREEAM Innovatiecredit

Onderzoek & Cases

32

Earth Wind & Fire: Evolutie van een innovatie (3)

tvvl magazine / onderzoek & casesnr. 03 / april / 2018

Page 2: Earth Wind & Fire: Evolutie van een innovatie (3 ... · Voor de PVT-zonneschoorsteen 3.0 is een BREEAM Innovatiecredit Onderzoek & Cases 32 Earth Wind & Fire: Evolutie van een innovatie

aangevraagd, waarin de berekende prestatie-eisen

gedetailleerd zijn omschreven. De ervaringen

tijdens de detaillering van het ontwerp en de

realisatie zullen zorgvuldig worden vastgelegd,

en na oplevering worden de thermische-,

aerodynamische- en energieprestaties van

de zonneschoorsteen gedurende één jaar

gemonitord. De ontwerpdocumenten worden

op basis van deze ervaringen en voortschrijdend

inzicht continue geactualiseerd. De definitieve

ontwerpdocumenten zijn daarna beschikbaar voor

brede toepassing van de zonneschoorsteen in

de klimaattechniek, zo mogelijk in de vorm van

een ISSO/SBR/BNA-publicatie. De auteurs hopen

intussen dat de zonneschoorsteen op korte

termijn in meerdere projecten, nieuwbouw of

renovatie, zal worden ingezet, want “Natuurlijke

Airconditioning: Waar wachten we nog op?”

(Bronsema, B. et al 2018/1).

Uitgangspunten voor het ontwerp

In het Earth, Wind & Fire concept heeft de

zonneschoorsteen meerdere functies:

1. Afzuigen van ventilatielucht, de

aerodynamische prestatie.

2. Oogsten van zonne-energie, de energieprestatie.

3. Architectuur, de architecturale prestatie.

Bij het ontwerp moet een keuze worden gemaakt

uit de prioriteitsvolgorde van deze prestatie-

eisen, waarbij de architectuur (3) in veel gevallen

terugkoppeling naar (1) en (2) noodzakelijk zal

maken.

Het totale ventilatiedebiet voor hotelkamers

en algemene ruimten bedraagt 25.000 m3.h-

1. Ter beperking van het eigen drukverlies is uitgegaan is van een

luchtsnelheid in de zonneschoorsteen van ≈ 1,5 m.s-1. De minimale

diepte is om redenen van schoonmaakonderhoud gesteld op 0,65 m,

waaruit een breedte van ≈7,0 m volgt. De architect heeft deze

uitgangspunten vertaald in een tweeling zonneschoorsteen van 2 x

3,5 m breed- zie figuur 2 en 3. Bij de uitwerking van het ontwerp bleek

de energieprestatie van deze zonneschoorsteen ruim voldoende te

zijn om te voorzien in de tapwaterverwarming en voor herstel van het

thermisch evenwicht in de bodem van het WKO-systeem.

Het ligt in het algemeen meer voor de hand het ontwerp van

een zonneschoorsteen te optimaliseren op energieprestaties.

De drukverliezen in het afzuigsysteem zijn laag en de mogelijke

besparingen op ventilatorenergie derhalve gering. Zonne-

energie daarentegen kan een substantiële bijdrage leveren aan

het warmtegebruik van een gebouw. De energieprestatie kan in

principe worden vergroot of verkleind, waarbij voor een gegeven

hoogte en uitvoering van de zonneschoorsteen de breedte de

belangrijkste ontwerpvariabele is. Een consequentie hiervan is

dat inpassing van de zonneschoorsteen in het gevelontwerp kan

conflicteren met de architectuur.

De Zonneschoorsteen voor Hotel BREEZE Amsterdam

Figuur 3 toont de bezonde gevels van het hotel met de tweeling

zonneschoorsteen in de Zuidwest gevel. De zwarte vlakken zijn

building integrated PV-panelen. Elke zonneschoorsteen heeft een

breedte van 3.500 mm bij een diepte van 650 mm. De voorkant

en de zijkanten zijn voorzien van glas. De totale hoogte is ≈ 33 m.

Het totale bruto frontoppervlak op de Zuidwest oriëntatie is ≈ 230

m2. Het bruto oppervlak van de beide zijkanten op de Zuidoost

en Noordwest oriëntatie is ≈ 42,5 m2. Voor de berekeningen is

het netto glasoppervlak berekend met een reductiefactor R van

0,95 van het bruto oppervlak i.v.m. constructie-elementen die het

doorzicht belemmeren.

Figuur 2: Detail PVT­zonneschoorsteen hotel BREEZE Amsterdam

33tvvl magazine / onderzoek & cases nr. 03 / april / 2018

Page 3: Earth Wind & Fire: Evolutie van een innovatie (3 ... · Voor de PVT-zonneschoorsteen 3.0 is een BREEAM Innovatiecredit Onderzoek & Cases 32 Earth Wind & Fire: Evolutie van een innovatie

Zonn

esch

oors

teen

Zonn

esch

oors

teen

BIPV

-pan

elen

BIPV

-pan

elen

Materialisatie

Glaswand

De belangrijkste keuzecriteria voor de glaswand

zijn:

• Een zo hoog mogelijke g-waarde voor

maximale transmissie van de opvallende

zonstraling naar de absorber.

• Een zo laag mogelijke U-waarde voor beperking

van het warmteverlies naar de buitenlucht.

• Maximalisering van de transparantiegraad van

de glaswand door toepassing van structurele

beglazing zonder raamstijlen.

• Vermijding van (lineaire) thermische bruggen.

In de navolgende analyses is uitgegaan is van

het glastype SGG Planitherm Solar 4/15/4

argon, dat ook is gebruikt in het onderzoek en de

proefopstelling van het researchproject Earth,

Wind & Fire. De fysische eigenschappen van dit

glas zijn:

• g = 0,75 [-]

• U = 1,1 [W.m-2.K-1]

Anno 2017 is dit glas niet meer verkrijgbaar. Er

zal, mede op basis van kosten, een keus worden

gemaakt voor een glastype gelijkwaardige g- en

U-waarde. De glaswand wordt opgebouwd met

structurele beglazing zonder raamstijlen.

De achterwand

Met behulp van dynamische simulaties is aangetoond dat een

zonneschoorsteen, uitgevoerd met een thermisch lichte, weinig

accumulerende achterwand, een betere energieprestatie heeft dan

een uitvoering met een thermisch zware achterwand (Bronsema,

B. 2013/A). In de zonneschoorsteen van hotel BREEZE Amsterdam

wordt de achterwand gevormd door lichte PV-panelen op een

isolatielaag, waarbij warmteaccumulatie geen rol speelt.

Absorber

Bij het onderzoek en de proefopstelling van het researchproject

Earth, Wind & Fire is voor de absorber gebruik gemaakt van

Mirotherm, een 0,5 mm dikke geanodiseerde aluminiumplaat

voorzien van een spectraal selectieve coating met een

emissiecoëfficiënt van ≈ 0,05. Ter verhoging van de exergetische

prestatie zijn de absorbers in de tweeling zonneschoorsteen voor

hotel BREEZE uitgevoerd als PV-paneel. De emissiecoëfficiënt van

deze panelen is met een waarde van ≈ 0,87 aanzienlijk hoger dan

die van de spectraal selectieve absorber. Gevolg hiervan is een

hogere temperatuur van de glaswand en een groter warmteverlies

naar de buitenlucht. Berekeningen tonen echter aan dat dit effect

gering is, voornamelijk door de lage U-waarde van de glaswand.

PV­panelen

De absorber is opgebouwd uit 98 PV-panelen fabrikaat Astronergy

300Wp mono Full Black, aangevuld met power optimizers (fabr.

SMA/TIGO). Dit paneel is gekozen i.v.m. de zwarte uitstraling en de

beschikbaarheid van een gelijkwaardigheidsverklaring, die nodig is

voor de EPC-berekening. Het moduulrendement van deze panelen

is 18,34%.

Isolatie

Uitgegaan is van een isolatie met Rc ≥ 5,0 [m2.K-1.W-1].

Glascoating

Het aanbrengen van een anticorrosieve en vuilafstotende coating

kan in belangrijke mate bijdragen aan prestatiebehoud van een

zonneschoorsteen en beperking van het schoonmaakonderhoud.

Een dergelijke coating is onder de merknaam Vindico PV+

ontwikkeld voor fotovoltaïsche (PV) cellen (http://www.vindico.

info). Deze coating heeft anti reflecterende eigenschappen,

waardoor tevens de energieprestatie wordt verbeterd. De

fabrikant claimt bij gebruik van Vindico PV+ een verhoging van

de lichttransmissie tot 5%. Wat de positieve invloed is van deze

coating op de g-waarde volgens EN 410 is niet bekend.

Inspectie en onderhoud

De zonneschoorstenen moet toegankelijk zijn voor inspectie en

(schoonmaak)onderhoud van zowel de glaswand als de PV-

Figuur 3: De tweeling­zonneschoorsteen OZ Architecten.

Onderzoek & Cases

34 tvvl magazine / onderzoek & casesnr. 03 / april / 2018

Page 4: Earth Wind & Fire: Evolutie van een innovatie (3 ... · Voor de PVT-zonneschoorsteen 3.0 is een BREEAM Innovatiecredit Onderzoek & Cases 32 Earth Wind & Fire: Evolutie van een innovatie

panelen. Voorzieningen hiervoor zijn in het ontwerp opgenomen.

Luchtdichtheid

Het afzuigdebiet via de zonneschoorstenen mag niet significant

door winddruk en de inherente infiltratie van buitenlucht verstoord

worden. Bij de voorziene uitvoering met structurele beglazing is de

infiltratie naar verwachting verwaarloosbaar.

Thermisch rendement

Het thermisch rendement van een zonneschoorsteen wordt

gedefinieerd als de verhouding tussen de netto aan de

doorstromende lucht afgegeven warmte gedeeld door de

opvallende zonstraling. In formule (Bronsema, B. 2013/A)

U waarde van het glas en het

verschil tussen glastemperatuur en

buitentemperatuur – in volgorde de

tweede verliesfactor.

3. Het warmteverlies door de

binnenwanden, bepaald door de U

waarde van de achterwand, de diepte

van de zonneschoorsteen en het

verschil tussen wandtemperatuur en

temperatuur van de achterliggende

ruimte. Door een goede isolatie met

lage U waarde te kiezen is dit de

kleinste verliesfactor.

De wand- en glastemperaturen

in een zonneschoorsteen zijn

intergerelateerde functies van de

warmteoverdrachtscoëfficiënten voor

straling en convectie, die op hun beurt

weer functies zijn van de geometrische

verhoudingen, de luchtsnelheid en de

stralingsflux van de zon.

Dynamische simulaties geven aan dat

een jaarrendement bereikbaar is van

55%...60%. Als rekenwaarde voor het

ontwerp is, bij toepassing van een goede

glascoating, uitgegaan van een thermisch

jaarrendement van 60%.

Rendement hybride PTV zonneschoorsteen

De absorber wordt in dit geval

uitgevoerd met PV-panelen. Een deel

van de zoninstraling wordt omgezet in

elektrische energie, hetgeen ten koste

gaat van het thermisch rendement.

Formule 2 gaat dan over in

Waarin

ηpv = rendement PV paneel

De verlaging van het thermisch

rendement heeft een vermindering van de

warmteopbrengst en van de thermische

trek tot gevolg. De vermindering van

de laagwaardige warmteopbrengst

wordt echter gecompenseerd door de

Deze formule is intuïtief gemakkelijk te duiden. Het thermisch

rendement van een zonneschoor-steen wordt bepaald door de 3

factoren in deze formule:

1. De g-waarde van het glas – verreweg de belangrijkste factor.

De g-waarde van de voorlopig gekozen glassoort is ≈ 0,75. Als

er geen warmteverliezen zouden zijn is dit teven het maximum

rendement. Bij toepassing van Vindico+ zou een verhoging

tot ≈ 5% mogelijk zijn, maar dat is enigszins speculatief.

2. Het warmteverlies naar de buitenlucht, bepaald door de

Waarin: ηz = thermisch rendement zonneschoorsteen bij referentiecondities qv = volumestroom van de doorstromende lucht [m3.s-1] ρ = dichtheid van de lucht [g.m-3] c = soortelijke warmte van de lucht [J.g-1.K-1] θ uit = uittredetemperatuur van de lucht [°C] θ in = intredetemperatuur van de lucht [°C] B = breedte van de schoorsteen [m] H = hoogte schoorsteen [m] Φzon = stralingsflux van de zon [W.m-2] R = reductiefactor netto t.o.v. bruto glasoppervlak [-]Na verschillende herleidingen kan deze formule worden geschreven als

Waarin: g = g-waarde van het glas [-] U* l = warmteovergangscoëfficiënt glasoppervlak buitenlucht [W.m-2.K-1] U*w = warmteovergangscoëfficiënt wandoppervlak binnenlucht [W.m-2.K-1] θ l = glastemperatuur [°C] θ e = buitentemperatuur [°C] θ w = wandtemperatuur [°C] θ a = temperatuur achter binnenwand [°C] p = totaal binnenoppervlak/frontoppervlak [-]

35

(1)

(2)

(3)

g

g

tvvl magazine / onderzoek & cases nr. 03 / april / 2018

Page 5: Earth Wind & Fire: Evolutie van een innovatie (3 ... · Voor de PVT-zonneschoorsteen 3.0 is een BREEAM Innovatiecredit Onderzoek & Cases 32 Earth Wind & Fire: Evolutie van een innovatie

PV prestaties

Maand Zuid

kWh.m2.a-1 opp. m2 vulgraad g-waarde R-waarde rend.% kWh.a-1 kWh.a-1cum

jan 41,1 230 0,7 0,75 0,95 18,34% 860 860

feb 44,6 230 0,7 0,75 0,95 18,34% 933 1793

mrt 61,1 230 0,7 0,75 0,95 18,34% 1.278 3071

apr 101,3 230 0,7 0,75 0,95 18,34% 2.119 5190

mei 101,2 230 0,7 0,75 0,95 18,34% 2.117 7307

juni 90,3 230 0,7 0,75 0,95 18,34% 1.889 9196

juli 90,3 230 0,7 0,75 0,95 18,34% 1.889 11084

aug 101,3 230 0,7 0,75 0,95 18,34% 2.119 13203

sept 82,4 230 0,7 0,75 0,95 18,34% 1.724 14927

okt 73,7 230 0,7 0,75 0,95 18,34% 1.542 16469

nov 39,8 230 0,7 0,75 0,95 18,34% 833 17301

dec 35,3 230 0,7 0,75 0,95 18,34% 738 18040

totaal 862,4 18.040

hoogwaardige energieopbrengst van de PV-

panelen, waardoor het exergetisch rendement

van de zonneschoorsteen toe zal nemen.

Vermindering van de thermische trek kan worden

gecompenseerd door hulpventilator.

Aandachtspunten met betrekking tot de

thermische aspecten van dit concept zijn:

• De stralings- en

warmteoverdrachtsverhoudingen in de

zonneschoorsteen worden door de andere

eigenschappen van de absorber gewijzigd, met

als gevolg een 1,5 à 2% groter warmteverlies.

• Omdat een deel van de zonnestraling wordt

gereflecteerd op de glaswand wordt het

effectieve rendement van de PV- panelen

met een factor g gereduceerd. Voor de

geselecteerde Astronergy panelen met een

moduul rendement van 18,34% betekent dit

een reductie tot (0,75*18,34) = 13,75%

De temperatuur in een zonneschoorsteen is bij

zoninstraling hoger dan de buitentemperatuur,

waardoor het rendement van de PV-panelen

daalt. Bij een temperatuur van 30°C en een

temperatuurcoëfficiënt van -0,416%.K-1 betekent

dit een afname van ≈ 2,0% ten opzichte van de

referentietemperatuur van 25°C.

Als rekenwaarde is bij de navolgende berekeningen

uitgegaan van een thermisch rendement van 50%.

Tabel 1: Energieopbrengst

PV­stroom

Dynamisch model

In het onderzoek Earth, Wind & Fire is voor de bestudering van het

dynamisch gedrag en ramingen van de jaarlijkse energieprestatie

van de zonneschoorsteen het dynamische simulatiemodel ESP-r

gebruikt (Gontikaki et al 2010). Dit model, ontwikkeld door de TU

Eindhoven, biedt aan ontwerpers de mogelijkheid om de complexe

relaties te bestuderen tussen het buiten- en binnenklimaat van een

gebouw op basis van architectuur, bouwmassa, luchtstromingen

en de klimaatvoorzieningen inclusief regelsysteem. Het is flexibel

en krachtig, en daardoor zeer geschikt voor het simuleren van

innovatieve technieken.

Rekenmodel voor de praktijk

Het is de architect die in de conceptuele fase de basis legt voor een

succesvolle architectonische integratie van een zonneschoorsteen

in een gebouw. Voor deze intuïtieve en interactieve ontwerpfase

is op basis van de basale modellering een eenvoudig en

gebruiksvriendelijk rekenmodel ontwikkeld, dat met een muisklik

architectonische varianten en de energetische consequenties

daarvan in beeld brengt (Bokel, R. 2011).

Energieprestaties

PV­stroom

De geraamde jaarlijkse energieopbrengst van de PV-panelen in

de tweeling zonneschoorsteen is circa 18.000 kWh – zie tabel 1.

Uitgegaan is van de specifieke maandsommen van de zonnestraling

volgens VABI NEN 5060:2008. De vulgraad met PV-panelen is aan

de lage kant. Door de breedte van de zonneschoorsteen optimaal

Onderzoek & Cases

36 tvvl magazine / onderzoek & casesnr. 03 / april / 2018

Page 6: Earth Wind & Fire: Evolutie van een innovatie (3 ... · Voor de PVT-zonneschoorsteen 3.0 is een BREEAM Innovatiecredit Onderzoek & Cases 32 Earth Wind & Fire: Evolutie van een innovatie

Maand Zuidwest Zuidoost Noordwest Totaal Cum. Exergie

kWh.m2.a-1 opp. m2 R-waarde rend.% kWh.a-1 kWh.a-1 kWh.a-1 kWh.a-1 MWh.a-1 kWh.a-1

jan 41,1 230 0,95 50% 3.643 305 90 4.038 4.038 133

feb 44,6 230 0,95 50% 3.817 392 153 4.362 8.400 277

mrt 61,1 230 0,95 50% 5.867 534 282 6.683 15.083 498

apr 101,3 230 0,95 50% 10.546 1.000 548 12.094 27.177 897

mei 101,2 230 0,95 50% 11.702 1.035 746 13.483 40.660 1342

juni 90,3 230 0,95 50% 11.364 969 824 13.157 53.817 1776

juli 90,3 230 0,95 50% 10.132 969 666 11.767 65.584 2164

aug 101,3 230 0,95 50% 10.448 1.060 608 12.116 77.700 2564

sept 82,4 230 0,95 50% 7.732 775 383 8.890 86.590 2857

okt 73,7 230 0,95 50% 6.478 615 227 7.320 93.910 3099

nov 39,8 230 0,95 50% 3.446 318 109 3.873 97.783 3227

dec 35,3 230 0,95 50% 2.923 276 71 3.270 101.053 3335

totaal 862,4 88.098 8.248 4.707 101.053 101.053 3335

af te stemmen op de maat van de PV-panelen (1654x989 mm)

zou in principe een hogere vulgraad kunnen worden gerealiseerd.

Thermische energie

De geraamde jaarlijkse thermische energieopbrengst van de

tweeling zonneschoorsteen is circa 101.000 kWh – zie tabel

2. Uitgegaan is van de specifieke maandsommen van de

zonnestraling volgens VABI NEN 5060:2008 en een rendement

van 50%. Tabel 2 laat zien dat de bijdrage van de zijwanden aan

de energieopbrengst beperkt is (≈ 12,9%).

De in de zonneschoorsteen geoogste warmte heeft een laag

temperatuurniveau en dus een lage exergetische waarde. Direct

gebruik ten behoeve van de klimaatinstallatie en de warm

tapwater voorziening is daarom niet zonder meer mogelijk. Om

de laagwaardige warmte optimaal te benutten zijn de volgende

mogelijkheden aanwezig:

Tabel 2: Thermische energieopbrengst

Figuur 4: Cumulatieve jaaropbrengst PVT­zonneschoorsteen

• De energieopbrengst in het

stookseizoen (medio oktober tot

medio april), is ≈ 31,6% van de totale

jaarlijkse opbrengst. Deze warmte

kan in principe, direct of indirect via

warmtepompen, worden gebruikt voor

de gebouwverwarming en de warm

tapwatervoorziening.

• De energieopbrengst in het

koelseizoen (medio april tot medio

oktober), is ≈ 68,4% van de totale

jaarlijkse opbrengst. Deze warmte

kan in principe, direct of indirect via

warmtepompen, worden gebruikt voor

de warm tapwatervoorziening.

• Een belangrijke warmtegebruiker in

het koelseizoen is verder de WKO-

installatie, waar warmte nodig is

voor het compenseren van de in het

stookseizoen onttrokken warmte

en het herstel van het thermisch

evenwicht kin de bodem.

37tvvl magazine / onderzoek & cases nr. 03 / april / 2018

Page 7: Earth Wind & Fire: Evolutie van een innovatie (3 ... · Voor de PVT-zonneschoorsteen 3.0 is een BREEAM Innovatiecredit Onderzoek & Cases 32 Earth Wind & Fire: Evolutie van een innovatie

Exergieprestaties

Het temperatuurniveau van warmte is

bepalend voor de kwaliteit van de energie,

uitgedrukt in de exergiewaarde Exq. De

exergiewaarde van PV-stroom is gelijk

aan de energiewaarde: Expv = W

De exergiewaarde van warmte wordt

berekend met de formule

Waarin

T0 = omgevingstemperatuur [K]

T = temperatuur van de

warmtestroom [K]

Q = hoeveelheid warmte [W]

Bij de referentieconditie, een

zonnestraling van 400W.m-2 en een

buitentemperatuur van 20°C-zie hierna-

is de temperatuur van de afgezogen lucht

boven in de zonneschoorsteen ≈ 30°C. De

exergiewaarde van de warme lucht is bij

deze temperatuur slechts 3,3%. Figuur 4

brengt het cumulatieve verloop in beeld

van de jaarlijks in de zonneschoorsteen

geoogste energie, onderverdeeld in

thermische energie, PV-stroom en de

exergetische waarde van de thermische

energie.

Figuur 5: Uitgaande luchttemperatuur en thermische trek als functie van buitentemperatuur en stralingsflux

(Luchtdebiet 25.000 m3.h­1)

Aerodynamische prestaties

De thermische trek is een functie van de buitentemperatuur

en de gemiddelde temperatuur in de zonneschoorsteen,

die weer een functie is van de stralingsflux van de zon, het

schoorsteenrendement en het luchtdebiet. Uitgangspunt bij het

EWF-concept was dat de thermische trek bij referentiecondities

voldoende zou moeten zijn om het drukverlies van het

afzuigsysteem, inclusief de zonnefaçade zelf, te compenseren. De

referentiecondities zijn als volgt gedefinieerd (Bronsema, B, 2013)

• Buitentemperatuur θe = 20 [oC]

• Stralingsflux ɸzon= 400 [W.m-2]

De referentie stralingsflux is de gemiddelde dagelijkse straling

op zonnige dagen tijdens de zomermaanden. (Als ook de minder

zonnige dagen worden meegeteld is de gemiddelde dagelijkse

stralingsflux ≈ 350 W.m-2).

Figuur 6: Principe warmteterugwinning zonneschoorsteen via Ventec­wissel

Onderzoek & Cases

( ) QTTExq *1 0−=

38 tvvl magazine / onderzoek & casesnr. 03 / april / 2018

Page 8: Earth Wind & Fire: Evolutie van een innovatie (3 ... · Voor de PVT-zonneschoorsteen 3.0 is een BREEAM Innovatiecredit Onderzoek & Cases 32 Earth Wind & Fire: Evolutie van een innovatie

Figuur 5 laat zien dat te realiseren thermische trek

bij referentiecondities R slechts ≈ 6,6 Pa bedraagt.

Het is praktisch onmogelijk en zeker niet rendabel

om het afzuigsysteem op dergelijke lage

drukverliezen te ontwerpen. Het ligt dan ook voor

de hand om bij deze condities de hulpventilator

te gebruiken om voldoende trek te realiseren.

Figuur 5 laat ook duidelijk de invloed zien van

de buitentemperatuur op de thermische trek,

die bij lage buitentemperaturen kan oplopen

tot > 40Pa op bewolkte dagen en > 50 Pa op

zonnige winterdagen. De zonneschoorsteen werkt

in dit geval als thermische schoorsteen en een

debietregeling is nodig om het hoofd te kunnen

bieden aan de wisselende thermische trek.

Bij in bedrijf zijnde keuken wordt de

keukenafzuiging, met een debiet van ≈ 7.500

m3.h-1, buiten de zonneschoorsteen om afgevoerd.

De luchtsnelheid daalt hierbij naar ≈ 1,1 m.s-1, en

de luchttemperatuur kan oplopen tot ≈ 45oC. De

berekende temperaturen liggen ruim onder de

grens van 80°C waarbij gehard glas moet worden

toegepast.

Om het hoofd te bieden aan oververhitting

door eventuele stagnatie in het afzuigsysteem

wordt aan de top van de schoorsteen een

maximumtemperatuur beveiliging aangebracht

waarmee door een nader uit te werken regelactie

de luchtstroom kan worden hersteld.

Warmteterugwinning

Het principe van de warmteterugwinning is

aangegeven in figuur 6. De afgezogen warme

lucht uit de zonneschoorsteen dient als

warmtebron voor een warmtepomp, die de

warmte op een hoger niveau afgeeft aan de

warmtevoorziening van het hotel ten behoeve van

gebouwverwarming, warm tapwatervoorziening

Dr.-Ing. B. (Ben) Bronsema

Referenties1. Bokel, Regina 2011. Een gebruiksvriendelijk rekenmodel voor het initieel ontwerp van een zonne-

schoorsteen. Technische Universiteit Delft - Faculteit Bouwkunde – Afdeling AE+ T2. Bronsema, B. 2013/A. Earth, Wind & Fire – Natuurlijke Airconditioning. Proefschrift TU Delft. Uit-

geverij Eburon Delft. ISBN 978 90 5972 762 5. TU Delft Repository https://tudelft.on.worldcat.org/oclc/845637529

3. Bronsema, B. 2013/B. Earth, Wind & Fire – Natuurlijke airconditioning (1)- Onderzoeksdoelen en -methoden. TVVL Magazine | 07/08 | 2013

4. Bronsema, B. 2013/C. Earth, Wind & Fire – Natuurlijke airconditioning (2)- Onderzoeksresultaten.TVVL Magazine | 07/08 | 2013

5. Bronsema, B. et al 2018/A. Natuurlijke airconditioning: Waar wachten we op? TVVL Magazine 01/2018.

6. Bronsema, B. et al 2018/B. Earth, Wind & Fire: Evolutie van een innovatie (2) Natuurlijke ventilatie en luchtbehandeling via klimaatcascade. TVVL Magazine 01/2018

7. Bronsema, B. et al 2018/C. Earth, Wind & Fire: Evolutie van een innovatie (1) Natuurlijke ventilatie en energie via het dak. TVVL Magazine 02/2018

8. Gontikaki, M. en Houben, J. 2010. Calibration & Validation Report of the ESP-r solar chimney model. TU Eindhoven, faculteit Bouwkunde, afdeling Building Physics & Systems.

VerwijzingDit artikel is deel 3 van de miniserie.1. EARTH, WIND & FIRE: EVOLUTIE VAN EEN INNOVATIE (1) “Earth”: Natuurlijk ventilatie en lucht-

behandeling via de klimaatcascade2. EARTH, WIND & FIRE: EVOLUTIE VAN EEN INNOVATIE (2) “Wind”: Natuurlijk ventilatie en energie

via het dak3. EARTH, WIND & FIRE: EVOLUTIE VAN EEN INNOVATIE (3) “Fire”: Natuurlijk ventilatie en energie

via de zonneschoorsteen

en herstel van het thermisch evenwicht in de bodem via de WKO-

installatie. De aldus afgekoelde lucht wordt vervolgens via de

Ventec-wissel (Bronsema, B. et al 2018/C) op de lijzijde van het

gebouw naar buiten afgevoerd.

Het optimaliseren van de bedrijfsvoering in combinatie met de

opslagcapaciteit van warm tapwater is hierbij een interessante

opgave. De warmtepomp moet energetisch gezien bij voorkeur

in bedrijf zijn bij de hoogste brontemperaturen, in casu uren van

optimale zonneschijn en stralingsintensiteit.

Afzuigventilator

De toerengeregelde afzuigventilator houdt het afzuigdebiet van

25.000 m3.h-1 in stand, onafhankelijk van de thermische trek van

de zonneschoorsteen en de winddrukken op de langsgevel.

De positieve thermische trek van de zonneschoorsteen

is afhankelijk van de stralingsflux van de zon en van de

buitentemperatuur, en kan variëren van -5 Pa tot + 50 Pa –zie

figuur 5.

De grootte van de negatieve trek is afhankelijk van de

buitentemperatuur θe en de gelijktijdige stralingsflux ɸzon. Als

zeer extreme omstandigheid zou kunnen worden verondersteld

dat bij een hoge buitentemperatuur van 35°C een onweersbui

optreedt die de zon min of meer verduistert en de opwarming van

de ventilatielucht in de zonneschoorsteen tot nul reduceert. Bij

het verwaarlozen van de warmtetransmissie door de beglazing en

warmteaccumulatie in de zonneschoorsteen kan de negatieve trek

dan oplopen tot ≈ -10 Pa.

39tvvl magazine / onderzoek & cases nr. 03 / april / 2018